首页 -> 2006年第11期

多媒体网络教室技术及其实现

作者：王凤著　刘志军　吴冬芳　徐　勇




　　一､多媒体网络教室
　　为将多个多媒体教室集中､灵活管理,通常采用以多媒体网络中控为核心的综合管理系统来实现｡即通过IP校园网络,使用中央控制室远程控制,监测教室的多媒体网络中控和外接多媒体设备的情况,实现远程监测､控制､管理和维护｡通过系统扩充还可将校园电视台､摄像机信号､VCD､卡座等模拟节目源信号直播到网上｡教室的多媒体网络中控既能被强制接收,也能自由点播,网上任意PC在有权限情况下也可接收｡同时在所有多媒体教室与中央控制室之间可以建立IP对讲系统｡每个教室的多媒体网络中控主要完成外围设备控制､设备监控､视音频编码等功能｡教师计算机主要完成多媒体教学工作,编码､控制等工作都由网络中控来完成,这就形成了目前新兴的多媒体网络教室｡
　　
　　二､多媒体网络教室系统的实现
　　
　　多媒体网络教室系统是集成多媒体教室语音､图像信号传输,对电脑､影音､演播､监控､环境等设备进行集中及远程控制的系统｡实现功能包括多媒体中央控制系统(含多媒体网络中控和桌面控制器)､数字监控系统(含编码模块､摄像头套件)､IP电话对讲功能等｡
　　
　　1.多媒体中央控制系统
　　此系统是利用计算机技术对多媒体教室等场所中的各种设备进行集中控制､管理,以简单的按键方式提供给用户使用,将复杂控制转化为简单按键操作,真正实现“所见即所控”｡多个具有多媒体中央控制系统的多媒体教室可组成一个网络控制的多媒体网络教室系统,系统主要由中央控制室､若干多媒体教室等组成｡
　　中央控制室与多媒体教室采用TCPIP协议进行数据传输,实现系统控制与网络的紧密连接,控制的原理图如下｡
　　
　　网管平台是网络控制指令的发起者,发出的指令被封装成标准TCPIP协议包,通过网络传送到相应控制节点(教室端的中央控制器),控制节点收到指令后,中央控制器执行相关指令控制操作,进而控制所连接的多媒体外设｡
　　通过控制软件可实现远程开关唤醒多媒体网络中控,远程控制投影机和影音设备等,真正实现“远在千里,控在指间”,节约系统､设备的维护管理开销｡
　　中央控制室配置各功能软件和硬件,实现视频监控功能,主控室的监控功能模块包括电视墙监控､远程硬盘录像等｡
　　教室端中央控制系统由中央控制主机(多媒体网络中控)､控制面板､遥控发射模块等组成｡各部分之间用通信电缆相连,构成一个控制系统｡其中鼠标键盘､控制面板和遥控发射模块是本地指令发送中心｡教师通过操作鼠标键盘等设备控制多媒体网络中控,从而实现对连接于其上的多媒体外设的控制,系统结构图如下｡
　　
　　在教室端需配置相应的视音频信号采集､编码､传输､控制设备｡视音频信号采集设备是用来对多媒体教室的视音频信号进行采集｡室内万向云台完成摄像机的摇移､推拉,以便可进行全方位､多角度监视整个教室或拍摄整个教学场景｡视音频数字编码完成视音频信号的数字编码｡云镜解码器是监控系统的重要组成部分,当终端接收到网络控制指令,由云镜解码器译码该指令,从而控制镜头的打开､关闭､调焦,以及云台的上､下､左､右､自动等动作｡网络传输是建立在TCPIP网络平台之上,实现数字视音频､控制指令､数据等信息传输｡
　　
　　2.数字监控系统
　　中央控制室数字监控系统通过控制室端的数字监控平台实现对教室端情景的监控,同时配合双视频流软件可实现主讲教室与听课教室双向视听,真正实现听课教室的无人值守､远程双多视频流听课｡这种远程听课方式可让更多学生听到名师授课,便于进行示范教学｡
　　数字视频监控系统由教室端视音频､控制信号采集部分､数字编码部分､传输部分､控制部分､显示和记录部分五大块组成｡教室视音频､控制信号采集部分由摄像套件､拾音器组成,实现视音频信号的采集､输入信号､云台镜头控制信号传输给多媒体网络中控等功能｡数字编码部分是将多媒体网络中控接收到来自摄像头和来自拾音器的模拟音频信号,利用硬件DSP压缩芯片实时压缩为H.264码流,并通过以太网接口发送到网络上｡并且该设备还将云台镜头､红外探测器的控制信号进行数字编码｡传输部分是通过多媒体网络中控,将视音频信号采用H.264ITU G.722标准编码,控制信号进行数字编码,使其符合TCPIP协议标准,通过以太网接口发送到网络上传输｡控制部分是通过多媒体网络中控内置的云镜解码器模块,实现由终端——多媒体网络中控直接控制云台和镜头,如镜头的伸缩､云台的转动等操作｡显示和记录部分由电视墙中的显示器显示,同时还可以在多台监控主机上实现自由切换监控显示,完成对多媒体教室的视频监控,并且随时可以进行硬盘录像｡整个监控系统的多媒体数据采用H.264视频压缩技术,具有图像清晰､分辨率高､实时监控､同步备份､事后查询､系统稳定的特点｡在网络中控中内置DSP数字监控模块,便可以通过网络中控将视音频信号进行数字编码,再传输到校园网｡只要在校园网连通的任何地方通过监控软件就可以实时收看任意教室的教学实况,而不需要再铺设模拟线路｡
　　
　　三､多媒体数据压缩标准
　　
　　多媒体数据压缩的诸多标准中,H.264因其更高的压缩比成为网络通信中最主要的视频和音频的编码技术｡
　　“MPEG-4 Advanced Video Codec(AVC)”在2003年3月被确定为国际标准规格｡AVC也被称作“MPEG-4 Visual Part 10”规格,它采用近似DCT(离散余弦变换)的整数运算来替代迄今为止在MPEG-124中所采用的DCT,因此它与以往的MPEG-4编码播放设备不兼容｡标准化由MPEG的上级组织ISOIEC和ITU共同成立的小组(JVT)负责进行,所以AVC也被称作“ITU-T H.264”｡
　　采用H.264标准的视频编码支持高清晰度视频压缩传输､高精度的视音频同步,并具有超低延迟,从编码､传输,到解码､显示,总延时可小于0.5秒｡编码的码率可以在0.02M到2M之间任意调整,并支持对亮度､色度､对比度等参数的实时调整｡在同等码率情况下,图像质量比MPEG4高一倍｡在同等图像质量的情况下,码率比MPEG4降低一半｡但是H.264获得优越性能的代价是增加了计算复杂度,据估计,编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍,解码复杂度大约相当于H.263的2倍｡
　　H.264标准中的内部预测创造了一种从前面已编过码的一幅或多幅图像中预测下一幅新帧图像技术｡H.264与以往标准的重要区别是,支持一定范围的图像块尺寸(可小到4×4)和更细的分像素运动矢量(在亮度组件中为14像素)｡H.264具有较强的抗误码特性,可适应丢包率高､干扰严重的信道中的视频传输｡H.264支持不同网络资源下的分级编码传输,从而获得平稳的图像质量｡H.264的基本系统无需使用版权,具有开放的性质,能很好地适应IP和无线网络的使用,这对目前因特网传输多媒体信息､移动网中传输宽带信息等都具有重要的意义｡
　　H.264MPEG-4的应用范围非常广阔,目前主要应用在基于电缆､卫星､Modem､DST等信道的广播,以及视频数据在光学或磁性设备上的存储,基于ISDN､以太网､DSL无线及移动网络的公话服务､视频流服务､彩信服务等｡除以上介绍的应用,在即将开通的3G市场上,H.264的舞台也将越来越大,视频通讯将带给人们更为简洁的交流手段｡
　　多媒体教室在很多学校已经使用,而且多媒体教室数量还在不断快速增长,如何充分利用好这些宝贵教学资源,一直是我们解决的问题｡随着新兴网络技术､多媒体数据通信技术的不断涌现,相信这些问题会被逐步解决｡
　　(参考文献本刊略)
　　(责任编辑 张茂林)